负曲率空心微结构光纤的中红外传输性质

张慧嘉，潘 蓉，韩志辉，崔立夫，张 勇，庞 璐，梁小红，宁 鼎

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

负曲率空心微结构光纤的中红外传输性质

张慧嘉，潘 蓉，韩志辉，崔立夫，张 勇，庞 璐，梁小红，宁 鼎

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

制备成功一种空气孔相互不接触的石英基负曲率芯中红外空心微结构光纤，对其进行排HCl气体处理后，利用中红外超连续谱光源(覆盖波长范围最长达4.2,µm)对其在中红外波段的传输谱特性进行了测试。制备的这种空气孔相互不接触的石英基负曲率芯中红外空心微结构光纤在2,000～4,200,nm波长范围之间有4个高损耗区，在2,000,nm波长以上有3个通光窗口分别位于2,200～2,550,nm波段、2,900～3,300,nm波段、3,600～4,000,nm波段，最低的损耗出现在3,600,nm附近，可以低于2,dB/m。

空心微结构光纤 中红外波段 负曲率芯

0 引 言

中红外激光在光谱学、医学、军事等领域应用广泛，因此研制在中红外波段实现低损耗传输的光纤有重要的意义。然而，材料的吸收一直是限制中红外波段光纤性能的一个重要因素。由于石英材料在中红外波段吸收量大，[1]传统观点认为石英光纤不能用于中红外光的传输。但是随着光纤技术的发展，光子晶体光纤已经诞生，人们对中红外传能光纤的发展提出了新的思路——利用空心的石英微结构光纤来传输中红外光。由于能量主要在空气纤芯中传输，所以这种光纤中因石英材料造成的吸收损耗会大大降低。同时，还可以通过合理设计空心微结构光纤的结构，使空心微结构光纤的低损耗传输带位于中红外波段。

1 选取的光纤结构的形状

在该光纤的制备中，选取的包层仅含一层气孔，可降低光纤损耗的负曲率芯型结构作为光纤制备的方向。[2-3]负曲率指纤芯边界的表面法线方向与柱坐标系的径向单元矢量方向相反。图1为正曲率和负曲率的示意图。

在负曲率芯空心光纤中，包层空气孔不相互接触时比空气孔相互接触时的损耗更低。[2]所以选取这种空气孔不相互接触的负曲率芯空心光纤作为制备光纤的基本结构。

图1 正曲率与负曲率示意图Fig.1 Schematic diagram of positive and negative curves

2 中红外空心微结构光纤的制备和测试结果

为了制备这种光纤的预制棒，用内外径分别为23,mm和25,mm的石英管拉制了8个外径为4.4,mm的毛细管，之后把这8个毛细管熔到1个外径为20,mm的大石英管的内壁上，组成了空心微结构光纤的预制棒。首先将这个预制棒拉制成结构保持完好、外径为4.2,mm的中间体，之后为中间体加套包皮管，拉制成空气孔相互不接触的负曲率芯空心中红外微结构光纤(见图2)。在光纤的拉制中，石英管受热后处于熔融状态，在表面张力的作用下收缩变形，不同尺寸的石英管受到的表面张力大小会有所不同。为了保持结构的完好，利用自行设计研制的分区域控制压力装置分别对空心微结构光纤的纤芯和8个空气孔施加不同大小的微气压。

图2 拉制的空气孔相互不接触的负曲率芯空心微结构光纤截面图Fig.2 The cross section of fabricated negative curve hollow core microstructure fiber with contactless air holes

分别用光学显微镜和扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy，SEM)对此光纤结构进行检测，如图2所示。测量到这种空心微结构光纤的几何结构参数如下：光纤包层外径大约为288,µm，纤芯直径大约为88,µm，包层相互不接触的8个空气孔的外直径大约为18,µm，8个空气孔的壁厚大约为2,µm。

由于制备光纤所用的石英玻璃管是采用化学合成法制备的，在化学合成的过程中会有HCl气体残留在石英玻璃管中心孔内。[4]HCl气体在中红外波段有强烈的吸收峰，所以需要排除空心微结构光纤气孔里的HCl气体以便降低损耗。把空心微结构光纤插入密封性能良好的高压气室(见图3)中，在5个大气压下，连续通气2天。之后，对空心微结构光纤进行传输性质的测试。

图3 用于排除HCl气体的高压气室Fig.3A photo of the high pressure gas chamber for HCl gas removal

国防科学技术大学的科研人员用他们搭建的基于ZBLAN氟化物光纤的中红外超连续谱光源(光谱覆盖范围为1,800～4,200,nm)，对拉制的空气孔相互不接触的负曲率芯空心微结构光纤的损耗谱进行测试。实验测试光路如图4所示，中红外超连续谱光源出射的光经过CaF2透镜准直聚焦后，入射到空心微结构光纤的纤芯中，最后从空心纤芯出射的光被液氮冷却的红外探测器所接收。科研人员采用截断法(最初用光纤1.6,m进行测试，截断后长度为1,m)对此空心微结构光纤进行了测试。

图4 以中红外透镜耦合的中红外波段光纤测试装置图Fig.4Mid-IR fiber measure setup through Mid-IR lens coupling

由测试数据得到的损耗谱如图5所示。测试结果说明：该型光纤在1,800～4,200,nm之间含有A、B、C、D 4个高损耗区，在2,000,nm以上有3个通光窗口分别位于2,200～2,550,nm、2,900～3,300,nm、3,600～4,000,nm，最低的损耗出现在3,600,nm附近，可低于 2,dB/m。值得一提的是，在3,600～4,000,nm这个通光窗口，损耗谱的形状不是通常的U形，这可能需要用包层中单个气孔的Fano Resonances理论来解释。[5]将来，需进一步进行深入的分析。

图5 空气孔相互不接触的负曲率芯空心中红外微结构光纤的损耗谱Fig.5 Loss spectrum of negative curve hollow core mid-IR microstructure fiber with contactless air holes

3 结 语

本文介绍了一种拉制成功的空气孔相互不接触的负曲率芯空心中红外微结构光纤。经过中红外超连续谱光源的测试，发现制备的这种光纤在2,000～4,200,nm的中红外区域内有3个传输窗口，其中损耗最低的波段出现在3,600,nm附近，可以低于2,dB/m。将来，期望继续优化光纤结构，改进制备工艺，进一步降低其在中红外波段的损耗。

致 谢

感谢天津大学精密仪器与光电子学院超快激光研究室刘博文老师和孟凡超博士生在用高压气室排除空心微结构光纤内部的HCl气体实验方面的帮助。感谢国防科学技术大学光电科学与工程学院陈胜平老师和殷科博士生在空心微结构光纤测试方面的帮助。

［1］ Kitamura R，Pilon L，Jonasz M. Optical constants of silica glass from extreme ultraviolet to far infrared at near room temperature [J]. Appl. Opt.，2007，46(33)：8118-8133.

［2］ Kolyadin A N，Kosolapov A F，Pryamikov A D，et al. Light transmission in negative curvature hollow core fiber in extremely high material loss region [J]. Opt. Express，2013，21(8)：9514-9519.

［3］ Wang Y，Couny F，Roberts P J，et al. Low loss broadband transmission in optimized core-shaped Kagome Hollow-Core PCF [A]；CLEO 2010[C]，2010.

［4］ Yu F，Wadsworth W J，Knight J C. Low loss silica hollow core fibers for 3-4 µm spectral region [J]. Opt. Express，2012，20(10)：11153-11158.

［5］ Steinvurzel P，Sterke C M D，Steel M J，et al. Single scatterer Fano resonances in solid core photonic band gap fibers [J]. Opt. Express，2006，14(19)：8797-8811.

The Mid-IR Transmission Property of a Negative Curve Hollow Core Microstructure Fiber

ZHANG Huijia，PAN Rong，HAN Zhihui，CUI Lifu，ZHANG Yong，PANG Lu，LIANG Xiaohong，NING Ding
(The 46th Research Institute，China Electronics Technology Group Coporation，Tianjin 300220，China)

A kind of silica negative curve hollow core mid-IR microstructure fiber with contactless air holes was fabricated.After the fiber was processed by removing HCl gas，the mid-IR transmission spectrum property of the fiber was measured by mid-IR supercontinuum optical source(the longest wavelength is until 4.2,µm).The fabricated silica negative curve hollow core mid-IR microstructure fiber has four high loss regions and there are three transmission windows between 2,000,nm and 4,200,nm. They are 2,200～2,550,nm region，2,900～3,300,nm region and 3,600～4,000,nm region.The lowest loss may be lower than 2,dB/m near 3,600,nm.

hollow core microstructure fiber；mid-IR wavelength region；negative curve core

TN248

：A

：1006-8945(2016)05-0043-03

2016-04-06